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Opere idraulicheOpere idrauliche

Alberto Berizzi, Dipartimento di Elettrotecnica Politecnico di Milano

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Impianto idroelettricoImpianto idroelettricoPermette di sfruttare un salto e una portata per azionare un motore idraulico (turbina), il quale mette in rotazione una macchina elettrica per la produzione di energia elettrica Salto utile lordo: differenza tra le quoteSalto utile netto: differenza fra il carico totale all’ingresso e all’uscita della turbina

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Salto utileSalto utile

LordoNetto

Linea dei carichitotali

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Grandezze idraulicheGrandezze idraulichePortata massima derivabile [m3/s]: la massima portata erogabile da tutte le macchine in centrale, contemporaneamente. Serve per il dimensionamento delle opere idrauliche

S

B

Dato il bacino imbrifero S, e hp, altezza delle precipitazioni, Shp èl’afflusso A [m3]A causa dell’evaporazione, filtraggio e altro, il deflusso utilizzabile [m3] nella sezione B è minore di A:D=CA (C=coeff. di deflusso: 0.1 in Sicilia, 0.98 nel bacino dell’Adda)

Capacità utile Cu di un bacino: volume compreso tra la minima e la massima quota di ritenuta

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Grandezze elettricheGrandezze elettrichePotenza di concessione: potenza idraulica media teoricamente disponibilePotenza effettiva: Pe [kW] =9.81ηcηtηgQHdove η=ηcηtηg≈0.8Energia teorica in un anno: Et [kWh] = DH/367Producibilità: Et per il rendimento ηEnergia accumulata nel serbatoio di capacità Cu:Ea [kWh] = ηCuHu/367

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Elementi di un impianto Elementi di un impianto idroelettricoidroelettrico

Captazione e presaDerivazioneCondotte Centrali Restituzione

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Valutazione della portataValutazione della portata– misurazione delle portate:

sezione (trapezi) x velocità (mulinelli o misuratori elettromagnetici)diluizione di soluto nella correntestramazzo

– idrogramma (portata in funzione del tempo)– FDC (Flow Duration Curve)

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Valutazione della Valutazione della producibilitproducibilitààMisurazione del salto lordo: metodi topograficiStima del salto netto: stima di tutte le perditeDeflusso minimo vitale

Massimo tornaconto economicoPortata sfiorata

Portata da rilasciare

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Impianti complessi: curva idrodinamicaImpianti complessi: curva idrodinamica

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Acqua fluenteAcqua fluente

Il dimensionamento consiste nella sola scelta della portata massima derivabile, che determina il costo di tutte le opere idrauliche e elettromeccanicheTale scelta è tecnico-economica (diversi progetti da valutare)

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AccumuloAccumuloLe portate superiori alla pmd sono utilizzabili solo in presenza di accumulo, che bisogna dimensionare opportunamente

Vol

ume

da v

uota

r e

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Dimensionamento Dimensionamento accumuloaccumulo

Vol

ume

baci

no

V

t

Afflussi da regolare

Possibilità di regolazione

Bacinoal minimo

Bacinoal massimo

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Impianti connessi a dighe di ritenutaImpianti connessi a dighe di ritenuta

Impianto sempliceLa centrale può essere incorporata nella digaIl salto è creato dalla diga (max circa 100 m)

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Impianti fluviali senza canale Impianti fluviali senza canale derivatorederivatore

A acqua fluenteSalto funzione del rigurgito a monteProblema delle onde per distacco carico

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Impianto con bacino, canale Impianto con bacino, canale e condotta forzatae condotta forzata

Con canale a pelo liberoCon galleria in pressione

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Carichi idraulici di un impiantoCarichi idraulici di un impianto

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DigheDighe

in terraa scoglierain muratura a seccoa gravità massicciaa gravità alleggeritaa contraffortia arco

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Dighe a gravitDighe a gravitàà massicciamassiccia

Per evitare il ribaltamento, la risultante deve cadere nel terzo mediano

All’interno della diga ci sono canne di drenaggio e gallerie di ispezione

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Dighe a gravitDighe a gravitàà alleggeritaalleggeritaLa struttura è molto alleggerita (cambio forma, per avere anche un contributo verticale dell’acqua)Le infiltrazioni hanno meno effetto

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Dighe a arcoDighe a arco

La forma a arco scarica sulle pareti rocciose laterali la pressioneSono adatte a imbocchi stretti e con roccia sana

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Opere di scaricoOpere di scaricoSfioratori di superficie– a ciglio fisso– a sifone– a paratoie

Scarico di alleggerimento, per contribuire in casi eccezionali allo svuotamento del serbatoioScarico di fondo, alla quota minimaDeve sempre essere previsto il comando manuale, con organi di chiusura ridondati

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Traverse fluvialiTraverse fluvialiCreano un rigurgito a monte per derivare parte

dell’acqua

cilindrica

a ventolaa settore

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PresaPresa

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PresaPresa

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Canale a pelo liberoCanale a pelo liberoNon si presta a essere abbinato a un grande bacino, perché si perde la parte di salto tra il massimo e minimo invaso (alla cui quota devono essere installate le opere di presa)Opere di presa con sghiaiatori e dissabbiatoriNon adatto a rapide e significative variazioni di portata (no servizio di punta)Termina nella vasca di carico, ove ha inizio la condotta forzataSi possono avere perdite di portataLe velocità sono circa 1.5-3 m/s, pendenza tra 0.2-1 m per km di lunghezzaScelta del rivestimentoFrane, percorso del canale (difficoltà realizzative)

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Canali a pelo liberoCanali a pelo libero

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Vasca di decantazioneVasca di decantazione

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SgrigliatoreSgrigliatore

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Bacino di caricoBacino di carico

Ripartisce la portata fra le condotteSmorza le oscillazioniDeve essere dotato di– scarico di fondo– scarico di superficie

Può consentire la regolazione giornaliera

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Bacino di caricoBacino di carico

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Galleria in pressioneGalleria in pressionePieno sfruttamento del salto (fino al massimo invaso)Debole pendenza (qualche m per km)Termina al pozzo piezometrico (eventualmente con camere di oscillazione)Può ricevere contributi di altri affluentiLa portata e la velocità dipendono esclusivamente dal carico idraulico (da dieci a centinaia di metri) e dall’apertura della turbina

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Vasca di oscillazione Vasca di oscillazione e pozzo piezometricoe pozzo piezometrico

In caso di colpo d’ariete disaccoppia il canale dalla condotta– riduce i tempi critici di chiusura– di solito si considera:

il distacco del massimo carico con massimo livello presa di carico con minimo livello

Consente rapide variazioni di portata dovute alle rapide variazioni di caricoTipologie: pozzo cilindrico, a camere, vasca differenziale

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Organi di chiusura e Organi di chiusura e regolazioneregolazione

Canali a pelo libero: paratoie di varia forma (piane, a settore, a ventola, cilindriche, a galleggiante)Tubazioni in pressione:– Valvole a farfalla (ostruiscono parzialmente)– Saracinesche con by-pass– Valvole sferiche o cilindriche (a piede di turbina), non manovrabili

a carico (by-pass)– Valvole a fuso

Meglio due sistemi di manovra indipendentiSicurezza (contrappesi, funzionano a mancanza di alimentazione)

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Valvola a farfalla e Valvola a farfalla e palmolapalmola

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Valvola rotativaValvola rotativa

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Tubo Tubo aeroforoaeroforo e condotta e condotta chiodatachiodata

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Condotte forzateCondotte forzate

Minimo sviluppo, pendenza il più possibile costante (se in galleria), pressioni rilevantiCoefficiente di Strikler k=60-90Velocità: 4- 6 m/sScelta del numero di condotte: è una scelta economica. Si tende a installarne il minor numero possibile.

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Dimensionamento delle Dimensionamento delle condottecondotte

Spessore di dimensionamento (formula di Mariotte) dato il diametro D

s=pD/2σ dove σ è il carico di sicurezza a trazione, p è maggiorata per il colpo d’arieteSpessore crescente fino all’imbocco della Centrale: da 5 mm a 70 mm e piùSi può diminuire D all’aumentare del carico idraulico: soluzione meno costosa

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Condotta forzataCondotta forzata

Problema dell’isolamento elettrico

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Montaggio condotta e saldatura Montaggio condotta e saldatura elicoidaleelicoidale

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Altri elementiAltri elementiTubo aeroforo o valvola rientro d’ariaGiunti di dilatazionePassi d’uomo

Il collegamento con le macchine idrauliche deve avvenire con circa 60° di angolo per evitare interferenze tra la condotta e le macchine

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Giunto di dilatazioneGiunto di dilatazione

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Ubicazione della centraleUbicazione della centraleAll’esternoIn caverna:– Rilevante costo degli scavi– Galleria di ingresso di sezione adeguata e possibilmente

corta– Drenaggio delle infiltrazioni d’acqua– Pendenza ottimale della condotta e sua maggiore durata– Ubicazione dei trasformatori (in caverna separata,

eventualmente): problematica delle perdite– Condizionamento dell’ambiente e illuminazione:

maggiore costo– Ridotto impatto ambientale

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Centrale: sala macchineCentrale: sala macchine

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Opere di restituzioneOpere di restituzione

In genere canali a pelo libero, dimensionati per lo scarico in condizioni di pienaV=1-1.5 m/sRaccordo con l’alveo naturaleVasca di espansione o piccolo bacino di compenso per le portate variabili